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pticapticaIntroduccin

U n i v e r s i d a d C a t l i c a d e l N o r t e

D e p a r t a m e n t o d e E n s e a n z a d e l a s

C i e n c i a s B s i c a s .

DefinicinDefinicin La ptica es la rama de la fsica que analiza las

caractersticas y las propiedades de la luz,estudiando cmo se comporta y se manifiesta.

La ptica geomtrica se basa en el conceptode rayo luminoso como trayectoria que siguenlas partculas materiales emitidas por loscuerpos luminosos sin preocuparse de estudiarcual es la naturaleza de la luz

La ptica fsica estudia los fenmenosluminosos e investiga cual es la naturaleza dela luz.

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Naturaleza de la luzNaturaleza de la luz

Durante siglos se crey que la luz consista en un chorro departculas emitidas por una fuente luminosa

Los dems cuerpos se vean debido a que se reflejan algunos delos corpsculos que los golpean, y al llegar estas partculas alojo, se produca la sensacin de ver. Esto explicaba la reflexinde la luz en un espejo

Leyes fundamentales de la pticaLeyes fundamentales de la ptica

Teora de Huygens: Modelo ondulatorio. Principio deHuygensModelo de Huygens- FresnelTeora de Maxwell: Modelo electromagnticoTeora de Lorentz: Modelo electrnicoTeora de Planck: Modelo cunticoExperimento de Hertz y MillikanTeora de Einstein: Modelo fotnicoEfecto ComptonExperimento de Davisson y GermerTeora de De Broglie

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Leyes fundamentales de la pticaLeyes fundamentales de la ptica

Las primeras investigaciones pticas dieron origena cuatro Leyes Fundamentales:

1.- Ley de propagacin rectilnea de la luz2.- Ley de independencia de los rayos luminosos3.- Ley de reflexin de la luz4.- Ley de Refraccin de la luz en el lmite de dosmedios transparentes

11..-- LeyLey dede propagacinpropagacin rectilnearectilneadede lala luzluz

Los rayos de luz se propagan en lnea recta. Un sencillo experimento confirmaesa aseveracin: intentemos mirar por el interior de una manguera: slosomos capaces de ver qu hay en el otro extremo si la manguera est recta.

De la fuente parte infinita cantidad de rayos en todas direcciones; pero bastacon "aislar", representar, visualizar apenas unos pocos rayos (en este caso 2,los que pasan rasantes o tangentes al cuerpo) para comprender la formacinde la sombra.

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2.- Ley de independencia de losrayos luminosos

En base a las leyes de propagacin rectilnea e independencia de loshaces luminosos se ha desarrollado el concepto de rayo luminoso.

Establece que la accin de cada rayo de luz es independiente de losdems, es decir, no guarda relacin con el hecho de que los demsacten simultneamente o no acten. Imaginemos una foto con unobjeto delante con un paisaje de fondo. Si ocultamos el objeto yvolvemos a fotografiar, solo se han interceptado los rayos queprovienen del objeto, sin afectar al resto del paisaje.

3.- Ley de la reflexin de la luz

Cuando un haz de luz incide sobreuna superficie plana una parte delhaz rebota y otra parte esabsorbida.Las superficies en las que la fraccinde luz que rebota es mxima sellaman espejos.

El ngulo con que incide en lasuperficie de reflexin, i, (medidorespecto a una recta imaginarianormal a la superficie) es igual alngulo con que sale rebotado, i1,

Durante la reflexin se pierde (se absorbe o se dispersa) unacantidad importante de luz. Los mejores espejos reflejan el 95% dela luz incidente y los espejos comunes apenas entre el 80 y el 85%.

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221 sennsenn =

4.- Ley de la refraccin

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La refraccin es la desviacin que experimenta la direccin de propagacin dela luz cuando pasa de un medio a otro en el que su velocidad es distinta

Ley de Snell: Cuando la luz pasa deun medio de ndice de refraccin n1a otro medio de ndice derefraccin n2 los ngulos deincidencia 1 y de refraccin 2cumplen la relacin:

INDICE DE REFRACCIN: es la relacin que existe entre la velocidad de la luzen el vaco y la velocidad de la luz en un determinado medio.

212

1 nsen

sen=

1

221

n

nn =

221 sennsenn =

4.- Ley de la refraccin

donde y 2 son los ngulos que forman los rayos incidente yrefractado con la recta normal a la superficie de separacin de losmedios. Si el segundo medio es mas denso pticamente, n1 < n2,entonces el rayo refractado se acerca a la normal. Si, en cambio elsegundo medio es menos denso, el rayo refractado se aleja de lanormal.

1

2

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n1> n

2

i0n1

n290

Si i > i0 n

1> n

2

n1

n2

4.1- Reflexin total interna

Cuando un haz de luz pasa de un medio ms denso a otro menosdenso, el rayo refractado se aleja de la normal. Si el ngulo deincidencia aumenta, tambin lo hace el de refraccin, de modo tal quese cumpla la ley de Snell ( 1sen1= 2 sen 2) La situacin se hace crtica cuando el ngulo de incidencia es tal queel ngulo de refraccin es 90. En la figura c representa el ngulocrtico para dos medios cualesquiera. Aplicando la ley de Snell es fcildemostrar que el ngulo crtico para un par de medio es:

1

2

n

nsen c = 21 nn

TEORAS SOBRE LA TEORAS SOBRE LA NATURALEZA DE LA LUZNATURALEZA DE LA LUZ

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Teora Corpuscular: Esta teorasupone que la luz est formada porpartculas materiales (llamadascorpsculos) que son emitidos por loscuerpos que reflejan la luz a granvelocidad de acuerdo con las leyes dela Mecnica, donde las partculasluminosas que se propaganrectilneamente.Este modelo explica y se basa en: La propagacin rectilnea de la luz; La ley de la reflexin y La ley de la refraccin.

Isaac Newton ( 1642- 1727)Isaac Newton ( 1642- 1727)

Sus mtodos mecnicos le condujeron a conclusiones errneas, alafirmar que la velocidad de la luz era superior en el agua que en elaire

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AireAgua

Vy

Vx

Vx

Vy

Vx

Vy

En 1690 public su teora sobre la propagacin de la luzcomo un movimiento ondulatorio que necesitaba de unmedio material llamado ter, para propagarseDesechaba la posibilidad de que se tratara de unmovimiento corpuscular ya que dos haces de luz podancruzarse sin estorbarse Su mayor error fue considerar la ondas de luzlongitudinales, como las del sonido que se propaga en unmedio aun no descubierto que llam ter. Consideraba elter como un fluido impalpable que todo lo llena inclusodonde parece no haber nada, el vaco, luego no existe elvaco ya que est lleno del ter.

TEORA ONDULATORIA: MODELO ONDULATORIO DE HUYGENSTEORA ONDULATORIA: MODELO ONDULATORIO DE HUYGENS

El deca que la luz se propaga en forma desuperficies esfricas y anchas: Yo llamo aestas superficies ondas de acuerdo a suparecido con las ondas que observamos enel agua, al caer en ella una piedra

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PRINCIPIO DE HUYGENSLa energa luminosa noest concentrada encada partcula, como enla teora corpuscularsino que est repartidapor todo el frente deonda. El frente de ondaes perpendicular a lasdirecciones depropagacin.

segn esta teora, la luz se propaga conmayor velocidad en los medios menosdensos, a pesar de esto la discusin entreel modelo corpuscular de Newton y elondulatorio de Huygens fue ganada porNewton en un primer momento debido a sumayor prestigio y fama como cientfico

PRINCIPIO DE HUYGENS

El modelo fsico de Huygens y Fresnel no slo explic satisfactoriamente lapropagacin rectilnea de la luz sino que permiti resolver el problema de ladistribucin de la intensidad de la luz al pasar cerca de algn obstculo, o seapermiti observar el fenmeno de la difraccin.Fue tambin Fresnel (1815) quien explic el fenmeno de la polarizacintransformando el movimiento ondulatorio longitudinal, supuesto por Huygens,en transversal. Existe, sin embargo, una objecin a esta teora, puesto que enel ter no se puede propagar la luz por medio de ondas transversales, ya questas solo se propagan en medios slidos.Para dar una explicacin a la diferencia de velocidad de la luz en mediosdistintos era necesario considerar que las propiedades del ter son diferentesen las distintas sustancias

Vuelve a tomarse en consideracin la teora ondulatoria de la luz en el siglo XIXgracias a los trabajos de difraccin e interferencias con rayos luminosos deYoung y Fresnel.

Se observa que los rayos luminosos cumplen el principio de superposicin demanera que cuando dos rayos de diferentes orgenes coinciden en la mismadireccin su efecto es una combinacin (superposicin) de ambos y una veztraspasado el lugar de la superposicin siguen con su forma original,comportamiento claramente ondulatorio.

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Algunos Ejemplos

Algunos Ejemplos

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=v

c = nEsta expresin relaciona las constates pticas, elctricas y magnticasde la sustancia. Sin embargo, de ella no se puede deducir que n = f()El desarrollo posterior de la ciencia hizo que los fsicos llegaran alconvencimiento de la imposibilidad de reducir a la mecnica todos losfenmenos de la naturaleza.

TEORA ELECTROMAGNTICA: MODELO DE MAXWELLTEORA ELECTROMAGNTICA: MODELO DE MAXWELL

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E

E

E

Campo elctricoB

B

B

Campo magntico

James Clerk Maxwell demostr que las ondas luminosas sonelectromagnticas, del tipo de las ondas de radio, y no necesitan medioalguno para propagarse (ondas transversales)

En 1896, el modelo de Lorentz permite analizar msdetalladamente los procesos de interaccin entre la luzy la sustancia. La idea sobre los electrones que entranen la estructura del tomo y que son capaces de oscilaren un determinado periodo, permiti explicar losfenmenos de emisin y absorcin de la luz en lasustancia. Este modelo dio la posibilidad decomprender el fenmeno de dispersin de la luz,debido a que la permeabilidad elctrica, es , segnesta teora dependiente de la frecuencia del campoelectromagntico, o sea de la longitud de onda , . Estoconlleva a que el ndice de refraccin tambindepende de .

n= 0 /n

TEORA DE LORENTZ: MODELO ELECTRNICOTEORA DE LORENTZ: MODELO ELECTRNICO

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h= 6,6326x10-34Js

TEORA DE PLANCK: MODELO CUNTICO TEORA DE PLANCK: MODELO CUNTICO

En el ao 1900, Planck plante que la luz, adems de presentar uncomportamiento ondulatorio, presentaba tambin uncomportamiento corpuscular. Esta hiptesis fue mal acogida por lacomunidad cientfica por romper todos los preceptos de la FsicaClsica, hasta que, en 1905, Einstein la aplic para poder explicarun fenmeno descrito en 1887 pero que careca an de explicacin:el efecto fotoelctrico.

Segn Planck toda partcula que emite o absorbe energa lo hace deforma discontinua mediante unos corpsculos que reciben elnombre de cuantos o fotones de energa. La hiptesis de Planckestablece que la luz est formada por corpsculos de energallamados fotones, cuya energa es directamente proporcional a lafrecuencia de la radiacin, segn una constante deproporcionalidad, h, que es la llamada constante de Planck y es unaconstante fundamental de la naturaleza.

E = hf donde h es la constante dePlanck y f es la frecuencia.

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Las ondas electromagnticas difieren entre s en su frecuencia y en sulongitud de onda, pero todas se propagan en el vaco a la misma velocidad

Las longitudes de onda cubren una amplia gama de valores que sedenomina espectro electromagntico

EL ESPECTRO ELECTROMAGNTICO

Ondas de radio Infrarrojos Ultravioleta Rayos gamma

Microondas Rayos X

Luz visible

En el ao 1887, Hertz descubri experimentalmente que lairradiacin con rayos ultravioletas a dos electrodos, separadoscierta distancia, donde se puede producir una descarga,provoca un aumento de la rapidez con que se produce dichadescarga.

EXPERIMENTO DE HERTZEXPERIMENTO DE HERTZ

Al producir ondas electromagnticas en un circuito elctrico,demostr que ellas poseen las mismas caractersticas de la luz.

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Caractersticas volt-amprica IV

1.- Si la diferencia de potencial aumenta y se hacesuficientemente grande, la corriente fotoelctrica tiende a unvalor constante (corriente de saturacin), para el cual todos losfotoelectrones desprendidos de la placa B son recogidos por laplaca A.

EXPERIMENTO DE HERTZEXPERIMENTO DE HERTZ

2.- Si mediante un interruptor convenientemente colocado se invierteel sentido del potencial, se observa que los fotoelectrones se siguenemitiendo a pesar de la existencia de un campo elctrico retardador.

3.- Para una diferencia de potencial negativo o potencial retardadorlo suficientemente grande, la corriente fotoelctrica se hace cero.Potencial de interrupcin, o potencial umbral, o potencial lmite opotencial crtico.

4.- los fotoelectrones que se desprenden de B dejarn de llegar a Acuando el trabajo del campo elctrico retardador eV0

20 2

1mveV =

la corriente se hace cero para 0max eVK =V0 es independiente de la intensidad

EXPERIMENTO DE HERTZEXPERIMENTO DE HERTZ

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Resultados de Hertz y Millikan1.- La energa de los fotoelectrones emitidos resulta independiente dela intensidad de la luz incidente, siempre que la frecuencia de la luzpermanezca constante.2.- El EFE no se manifiesta a cualquier frecuencia, siempre ocurrepara frecuencias mayores que fo independientemente que aumente ono la intensidad de la luz incidente.3.- La corriente de saturacin esDirectamente proporcional a laintensidad de la luz.

enI s =

EXPERIMENTO DE MILLIKANEXPERIMENTO DE MILLIKAN

Efecto fotoelctrico, Cuntica educaplus.org.htm

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Segn Einstein la luz no es ms que un flujo de cuantos de energa,siendo para una longitud de onda dada, todos los cuantosabsolutamente iguales, es decir son portadores de iguales porciones deenerga.

La energa de un fotn slo depende de la frecuencia f y de laconstante de h, llamada constante de Planck, o sea si la frecuencia f eslo suficientemente grande, la energa del fotn se utilizar: una parteen realizar el trabajo necesario E0 para arrancar al electrn del metal(trabajo de extraccin) y la otra para comunicarle a dicho electrn unaenerga cintica mxima Kmax

max0 KEhf +=00 eVEhf +=

e

Ee

hfV 00 =0max eVK =como

explicacin satisfactoria a las leyes experimentales del EFE.

TEORA DE EINSTEIN: MODELO FOTNICOTEORA DE EINSTEIN: MODELO FOTNICO

eFotn

Consiste en la obtencin deelectrones libres de un metalcuando sobre este incide unhaz de luz

TEORA DE EINSTEIN: MODELO FOTNICOTEORA DE EINSTEIN: MODELO FOTNICO

1.- Se haba visto que la energa cintica de los fotoelectrones emitidosresulta independiente de la intensidad de la luz incidente, siempre quela frecuencia de la luz permanezca constante. Al duplicarse la intensidadde la luz se duplica el nmero de fotones que llega a la lmina metlica,lo que trae consigo un aumento de la corriente fotoelctrica. De lafrmula de Einstein se puede apreciar que la energa cintica mximadel fotoelectrn y, por consiguiente, su velocidad inicial mximadependen de la frecuencia de la luz y del trabajo de extraccin,pero no de la intensidad de luz.

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2.- Frecuencia de corte, si la energa del fotn slo es suficiente paraarrancar al electrn del metal, pero no para comunicarle energacintica Kmax = 0

00 Ehf = hEf 00 =Se cumple

TEORA DE EINSTEIN: MODELO FOTNICOTEORA DE EINSTEIN: MODELO FOTNICO

Donde f0 es la frecuencia de corte, que depende slo del trabajo de extraccin,es decir de la naturaleza qumica del metal y del estado de su superficie. Por lotanto la longitud de onda de corte 0 = c/f0,

000 / hchfE ==hc= (4,1357x10-15eVs)(2,9979x108m/s) = 1,240x10-6eVm hc= 1240eVnm

3.- El nmero total n de foto electrones que abandonan la superficiedel metal por unidad de tiempo, debe ser proporcional al nmero defotones n que en este mismo tiempo incide sobre dicha superficie, unfotn es absorbido por un electrn del metal.

Se puede decir que cuatro son los periodos que se pueden distinguiren el desarrollo histrico de la ptica:

Primer periodo: Newton- Huygens, hasta comienzo del siglo XIX.

Segundo periodo: Fresnel-Young hasta la aparicin de la concepcinde los cuantos de luz (Planck, 1905, Einstein)

Tercer periodo: Desarrollo de mtodos experimentales y deconcepciones tericas ms profundas, relacionadas con la creacin dela teora de los cuantos ( unidad onda- corpsculo) (De Broglie).

Cuarto periodo: Etapa actual del desarrollo de la ptica, cuyocomienzo se puede considerar el ao 1960. A comienzos de los aos60 fueron creados los lseres, con un alto grado de monocromaticidady direccionalidad de la luz emitida por ellos.

CONCLUSINCONCLUSIN